CN109982792A - 用于生产单晶工件的方法、用途和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产或修复三维工件的方法，该方法包括以下步骤：提供至少一个基板(15)；将第一原料粉末层沉积到基板(15)上；以及根据与待生产的三维工件的层的至少一部分的几何形状对应的照射模式以位置选择性方式来用电磁或粒子辐射束(22)照射沉积的原料粉末层的选定区域，其中，控制照射以在基板(15)和沉积在该基板(15)上的原料粉末层之间产生冶金结合。此外，本发明同样公开了一种用途和一种设备。

Description

用于生产单晶工件的方法、用途和设备
技术领域
本发明涉及一种通过用电磁或粒子辐射照射原料粉末层来生产单晶工件的方法、用途和设备。
背景技术
粉末床熔融是一种加层工艺(additive layering process)，通过该工艺，可以将粉状原料，特别是金属和/或陶瓷原料加工成复杂形状的三维工件。为此，将原料粉末层施加到载架上，并根据待生产的工件的期望几何形状以位置选择性(site selective)方式来使其经受激光辐射。穿透到粉末层中的激光辐射引起原料粉末颗粒的加热，并且因此使原料粉末颗粒熔化或烧结。然后，将另外的原料粉末层连续地施加到载架上已经经受过激光处理的层上，直到工件具有期望的形状和期望的尺寸为止。粉末床熔融可以用于基于CAD数据生产原型、工具、替代部件、高价值部件或医疗假体，例如牙修复体或矫形假体。
金属工件的热性能和机械性能通常强烈地依赖于工件的微观结构。例如，单晶金属材料，特别是不锈钢或Ni基、Co基或Fe基超合金即使在高温下也能表现出优异的机械性能、化学性能和热性能。因此，这些材料通常用于制造经受高机械和热负荷的部件，例如涡轮叶片或发动机部件。
WO 2014/131444 A1公开了一种用于生产三维工件的设备，该设备包括载架；粉末施加装置，用于将原料粉末施加到载架上；照射装置，用于将电磁或粒子辐射选择性地照射到施加于载架上的原料粉末上；和控制单元，其根据原料粉末的结晶行为控制粉末施加装置的操作和照射装置的操作，以便定制通过加层构造(additive layer construction)方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。具体地，该控制单元根据原料粉末的结晶行为控制照射装置的辐射源和/或光学单元，以调节照射到施加于载架上的原料粉末上的辐射束的射束尺寸、射束轮廓、扫描速度和/或扫描模式或该辐射源的输出，以便定制工件的微观结构。由此，可以获得具有大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构的工件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够通过用电磁或粒子辐射照射原料粉末的层来生产高质量的单晶三维工件的解决方案。
该目的通过如权利要求1中限定的方法、根据权利要求14的用途和根据权利要求15的设备来达到。
本发明提出了一种用于生产或修补三维工件的方法，该方法包括提供至少一个基板的步骤。该基板可以覆盖构造区域的至少一部分，在该构造区域上将生产工件。构造区域可以由载架的表面限定和/或对应于载架的表面，基板可以被布置在该载架的表面上，以使原料粉末沉积在该基板上。因此，构造区域可以对应于可以生产或修补的工件的最大横截面积或所占面积(footprint)。
基板还可以被布置在用于执行该方法的设备的载架上。所述载架可以是刚性固定的载架。然而，优选地，载架被设计成可在垂直方向上移动，使得随着工件构造高度的增加，载架可以沿垂直方向(沿负Z方向)向下移动，其中，工件构造高度的增加是因为该工件是由原料粉末以多层的方式建造的。
如下所述，基板因此可以以薄平面构件的形式来提供。而且，基板已经可以以不同于加层制造工艺的方式，并且特别是不同于选择性激光熔化工艺的方式来生产。另一方面，基板可以以工件的形式来提供，其中，该工件需要例如通过至少部分地修复该工件的一些工件层来修补。在这种情况下，基板已经通过加层制造工艺，并且特别是选择性激光熔化工艺来非常好地生产了。
作为总体描述，生产或产生工件可以指完全由原料粉末来生产凝固工件，而修补工件可以指仅修复已损坏的已凝固工件的选定区域。
如下面进一步详述的，基板可以是大致单晶的基板。在本申请的上下文中，术语“大致单晶”可以指基板的微观结构实际上是单晶的，即不包括任何晶界。然而，表述“大致单晶”还应该包括在具有优选取向的晶粒之间具有晶界的微观结构，即晶界沿优选方向基本上彼此平行地延伸的微结构。这种微观结构通常通过金属熔体的定向凝固来获得。
该方法还包括将第一原料粉末层沉积到基板上的步骤。原料粉末优选为金属粉末，特别是金属合金粉末，但也可以为陶瓷粉末或含有不同材料的粉末。通常，基板的材料和原料粉末的材料可以是相同的或至少属于同一类材料(即金属或陶瓷)。
粉末可具有任意合适的粒径或粒径分布。然而，优选将粉末加工成粒径小于100μm。该沉积可以通过如下面进一步详述的粉末施加装置来实现。所沉积的原料粉末层可以覆盖基板表面的至少约50％、至少约75或约100％。原料粉末层可用于由其生产工件的基本上完整的横截面区域。另一方面，例如在修补的情况下，该层可用于例如通过填充相应工件层中的间隙或孔来生产(或换句话说，修复)工件的横截面区域的仅一部分。
该方法还包括根据与该三维工件的层的至少一部分的几何形状对应的照射模式以位置选择性方式用电磁或粒子辐射束来照射所沉积的原料粉末层的选定区域的步骤。因此，可以根据待生产或待修补的工件的期望几何形状以位置选择性方式来使施加到载架上的原料粉末经受电磁或粒子辐射。该辐射优选适于引起原料粉末颗粒的位置选择性熔化(即，进行选择性激光熔化工艺)。
该照射可以借助于照射装置来实现。照射装置可以包括至少一个辐射源，特别是激光源；和至少一个光学单元，该至少一个光学单元用于引导和/或处理由辐射源发射的辐射束。辐射源可以包括二极管泵浦掺镱光纤激光器，该二极管泵浦掺镱光纤激光器发射波长为约1070nm至1080nm的激光。光学单元可以包括光学元件，诸如物镜，特别是f-θ透镜；和扫描器单元，该扫描器单元优选地包括衍射光学元件和偏转镜。例如，照射装置可以是如EP2 335 848 A1中所述的照射装置。为了引导辐射束，光学单元可以包括光学扫描器单元，该光学扫描器单元优选地可以围绕至少两个轴线移动。照射装置还可以包括多个辐射源，诸如以阵列或矩阵的形式布置的单激光二极管。可以共同地控制这些辐射源以在所沉积的原料粉末上产生专用的辐射模式。参考DE 10 2016 218 887(本发明的申请日时尚未公开)中已知的相应解决方案。
在生产三维工件的情况下，照射模式优选地对应于待生产的三维工件的完整横截面层。在修补的情况下，可以由相应的照射模式仅覆盖相应工件层的一部分或相应工件层的一段(segment)。
控制照射以在(优选单晶)基板和沉积在该基板上的原料粉末层之间产生冶金结合。冶金结合可以由原料粉末层的熔化部分以及至少基板的表面，并且特别是基板的其上沉积有原料粉末的薄表面层。例如，可以使基板的表面层熔化，所述层具有小于约0.5mm或小于0.05mm的厚度。由此，可以在基板和原料粉末之间形成共有的熔池。然后，优选地在形成期望的单晶微观结构的条件下，可以使所述熔池凝固以形成冶金结合。为了产生冶金结合，可以控制照射以实现期望的熔化行为，例如熔化深度或熔化体积。例如根据所用材料、层或基板厚度等，可以通过模拟或实验来确定合适的值。
发明人已发现，由于使用与原料粉末层结合的(优选单晶)基板，可以实现熔化的粉末材料的枝晶的单晶生长。具体地，可以实现沿基板的晶体结构取向的外延生长。因此，可以更可靠地实现所生产的工件层的单晶微观结构。
根据另一种实施方式，在完成第一原料粉末层的照射之后，可以执行多个系列的沉积和照射随后的原料粉末层，以沿构建轴线连续地构建工件。换句话说，可以重复一系列沉积原料粉末层和照射原料粉末层，以便根据通过加层工艺，例如根据选择性激光熔化来生产或修补工件。众所周知，这可以包括总是在最近照射过的一个原料粉末层上沉积新的最上面的原料粉末层，然后照射所述最上面的原料粉末层，从而由该最上面的原料粉末层产生相应的工件层或工件层段。因此，工件可以包括相应系列的工件层且由相应系列的工件层构建。
构建轴线可以对应于基本上垂直的空间方向(通常称为Z轴线)。同样，构建轴线可以基本上垂直于构建区域、基板和/或由原料粉末层限定的区域而延伸。
除非有相反说明，否则根据本发明，关于形成、加工和/或照射原料粉末层的论述适用于相应系列的原料粉末层中的至少一半或甚至相应系列的原料粉末层中的每个。具体地，这种论述可以涉及用于生产或修补工件的原料粉末层的总数的至少约50％、至少约75％或约100％。例如，以下选择照射参数的实施例可适用于用于生产或修补工件的一系列原料粉末层中的至少一半或甚至一系列原料粉末层中的每一个。
该方法还可以包括调节(优选单晶)基板的晶体取向以基本上与构建轴线对应的步骤。因此，所述基板的晶体取向也可以基本上垂直地在空间中延伸和/或沿相应的Z轴线延伸。总之，作为照射原料粉末的结果，这可以促进沿构建轴线进行的晶体生长，以便生产相应取向的单晶工件层。
此外或可替代地，该方法可以包括调节(优选单晶)基板的晶体取向和照射三维工件的层时在所述层中产生的晶粒生长方向以便彼此对应的步骤。这可以通过在基板上沉积原料粉末并照射该基板上的原料粉末之前调节基板的位置和/或取向来实现。在本文中，选择基板的位置和/或取向可以受限于预期的或预定的晶粒生长方向，该晶粒生长方向可以通过选择合适的照射参数来影响。或者，可以根据(优选单晶)基板的已知晶体取向来控制该晶粒生长方向。同样，这可以通过选择合适的照射参数来实现。当然，基板的晶体取向以及晶粒生长方向都可以基本上对应于工件的构建轴线。
根据另一方面，以下参数中的至少一个参数用于控制该照射：
电磁或粒子辐射束的射束尺寸、散焦状态和/或射束轮廓，
沉积的原料粉末的选定区域暴露于电磁或粒子辐射束之下的暴露时间，
照射模式，
照射位置在沉积的原料粉末层上移动的速度，
沿构建轴线的重熔速率和/或在当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率，以及
电磁或粒子辐射束进入施加到基板上的原料粉末层的选定区域中的能量输入。
使用上述用于控制照射的参数可以包括在照射之前、照射期间或照射之后将这些参数设置为合适的值和/或适当地改变这些参数。
射束尺寸可以与射束的直径或射束的面积有关，特别是与撞击或冲击原料粉末层时射束的横截面积有关。通常，所述直径或所述面积可以在控制单元的控制下增加，以便促进在通过照射粉末所产生的熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而在所产生的工件层中获得大致单晶微观结构。通常，根据本发明，可以在熔体中设置相对于构建轴线的高的温度梯度。具体地，可以沿构建轴线在负方向(例如，负Z方向)上设置这样的温度梯度。
优选地，由辐射源发射并由光学单元处理的辐射束的射束直径可以被设置为≥100μm，特别是≥500μm，具体地≥750μm，以便在所产生的工件中获得大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。
散焦状态可以与有意偏离辐射束的理想聚焦状态有关，例如通过在距离应照射的原料粉末层上表面的一定距离处调节所述射束的焦点位置。众所周知，辐射束因此可以在离焦状态下撞击或冲击原料粉末层，以例如限制进入原料粉末的能量输入。
射束轮廓通常可以与辐射束例如在其横向横截面上的强度轮廓或强度分布有关。因此，它可以包括这种已知的顶帽强度(top-hat-intensity)轮廓、高斯轮廓或环形的多纳圈(donut)轮廓。
合适的射束参数选择可包括选择具有增加的射束直径的顶帽射束轮廓或具有高斯轮廓的故意散焦的小直径射束。
可以选择相对于辐射束的暴露时间，以便实现原料粉末和/或(优选单晶)基板的期望能量输入和/或期望熔化过程。
照射模式可以包括被照射的总区域的形状或几何形状和/或照射位置在所述区域内移动以覆盖待照射的表面的策略(例如，通过使照射位置沿延伸通过所述表面的专用矢量移动)。这种移动可以通过使辐射束沿所谓的扫描线矢量或影线(hatch)矢量扫描整个原料粉末来实现。同样，在使用例如激光-LED辐射源的阵列或矩阵的情况下，这可以包括以协调的方式激活相邻的辐射源，以便随后照射所述原料粉末上的专用位点。照射的位点可以沿专用的扫描线矢量或专用的影线矢量排列，使得如果随后被激活，则照射位置沿所述矢量在原料粉末上的移动可以再现。
照射位置在所沉积的原料粉末层上移动的速度可以与通过辐射束扫描或通过多个辐射源的协调激活来实现的上述所论述的移动中的任何移动有关。
沿构建轴线的重熔速率可以与在照射最近沉积的原料粉末层时先前照射的原料粉末层(和/或优选单晶基底)的重熔速率有关。换句话说，可以与熔化深度有关，该熔化深度可以包括使在最近沉积的原料粉末层下面的已生产的工件层重熔，并从而使在最上面的原料粉末层下面的已制造的工件层重熔。因此，可以选择重熔速率，以便将沿构建轴线的重熔深度设置为期望值，并从而将沿构建轴线的总熔池深度设置为期望值。
类似地，当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率可以与先前已经被照射过的原料粉末层的重熔段有关。这种先前的照射可以由使照射位置例如沿专用的扫描线矢量或影线矢量在原料粉末层上移动引起。在本文中，重熔可以由在沿相邻矢量移动时彼此重叠的辐射束直径引起。更确切地说，由辐射束沿相邻的扫描线矢量或影线矢量移动而产生的熔池可以在当前照射的原料粉末层的平面内彼此重叠。在本文中，在沿第一矢量移动期间所产生的熔池可以在沿相邻的第二矢量移动的期间至少部分地再次凝固。然而，由于重叠的射束直径，所述熔池在沿相邻的第二矢量移动期间可以至少部分地再次重熔。
还可以选择能量输入以确定期望的熔化速度、温度分布、凝固速度或其他与熔化相关的特性，从而控制所生产的工件层的微观结构。
根据另一方面，在至少一些随后的原料粉末层之间，用于控制照射的至少一个参数基本上是恒定的。换句话说，至少对于一些随后沉积的原料粉末层，可以使照射条件保持基本恒定，一系列工件层由随后沉积的原料粉末层生产。当然，这还可以包括保持一个以上的辐射参数恒定。如前所述，这可能涉及随后的原料粉末层的至少约50％、约75％或甚至约100％。通过保持恒定的照射参数，可以更可靠地实现熔化材料中恒定的单晶生长。
还可以根据原料粉末的结晶行为以产生三维工件的单晶层的方式来控制照射。因此，该方法可用于生产或修补具有期望的微观结构，并且具体为单晶微观结构的工件。因此，通过定制工件的微观结构，可以制造具有特定机械性质、热性质、电性质或化学性质的工件。例如，可以获得特别是在高温下表现出高的机械耐性、化学耐性和热耐性的工件。
通常，熔体的结晶行为，特别是金属熔体的结晶行为可以例如通过所谓的v-G图描述，其中，通常以双对数尺度绘制凝固或晶体生长速度v相对于温度梯度G的图。如本领域所熟知的并且例如J.D.Hunt在《材料科学与工程》1984年第65卷第75-83页中发表的名称为“枝晶与共晶的稳态柱状及等轴生长”(J.D.Hunt，“Steady State Columnar and EquiaxedGrowth of Dendrites and Eutectic”,Materials Science and Engineering,Vol.65,1984,pages 75-83.)的文献中描述的，对于任意期望的材料，可以测量或计算v-G图。在v-G图内，v-G组合的不同区域与凝固的熔体的不同微观结构性质相关。例如，高的凝固或晶体生长速度和低的温度梯度导致多晶鲕状微观结构的发展，而低的凝固或晶体生长速度与由于高的温度梯度引起的熔体的(局部)过冷却相结合导致枝晶和单晶的形成。同样，在本发明的上下文中，所述温度梯度通常可以沿构建轴线产生，并且具体地沿所述构建轴线的负方向(例如，负Z方向)产生。
因此，可以以如下的方式来控制根据本方法的照射：根据原料粉末的类型，获得在用电磁或粒子辐射照射粉末所产生的熔体中出现凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以便产生期望的微观结构，例如包括大致枝晶和/或单晶的定向凝固的微观结构。具体地，这可以包括在三维工件的层中产生与(优选单晶)基板的晶体取向(例如，通过沿构建轴线取向)对应的晶粒生长方向。
为此，可以根据原料粉末的结晶行为来选择一个辐射源或相应的多个辐射源的上述照射参数和/或操作参数中的任何一个以及合理的光学单元的参数，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。换句话说，可以以如下的方式来控制辐射源的操作和/或光学单元的操作：根据原料粉末的类型和/或基板类型，获得在用电磁或粒子辐射照射粉末所产生的熔体中出现凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以便产生期望的微观结构(优选单晶)。
例如，可以降低照射位置在原料粉末层上的移动(即扫描)速度，以便促进在通过照射粉末所产生的熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合。这可有助于在所产生的工件中获得大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。优选地，所述速度可以被设置为小于1m/s。
此外或可替代地，可以想到通过将照射位置排列所沿的影线之间的距离设置为合适的值来促进熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进大致单晶的微观结构的形成。换句话说，影线距离可以用作用于以期望方式控制所得微观结构的参数。优选地，影线距离可以被设置为小于所施加的辐射束的直径的值和/或小于1mm的值。
最后，可以以如下的方式来控制辐射源的输出，特别是激光源的激光功率：根据原料粉末类型，获得在通过照射粉末所产生的熔体中出现凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以便产生期望的单晶微观结构。具体地，可以增加辐射源的输出，以便促进在熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶的微观结构。优选地，辐射源的输出可以被设置为大于约100W、大于约500W、大于约1000W或大于约2000W的值。
此外，可以以如下的方式来控制原料粉末层的沉积：根据原料粉末类型，获得在用电磁或粒子辐射照射粉末所产生的熔体中出现凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以便产生期望的微观结构。具体地，可以控制原料粉末层的沉积，以根据原料粉末的结晶行为来调节所沉积的原料粉末层的厚度，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的(优选单晶)微观结构。
例如，如果期望促进在熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构，则可以增加所沉积的原料粉末层的厚度。优选地，施加到载架上的原料粉末层的厚度可被设置为30μm至250μm的范围。
一般来说，以粉末形式用作用于产生工件的原料的材料的熔点、熔化性质(例如合金中不存在或存在共晶组合物)、结晶结构和其他材料性质强烈影响v-G图，并由此影响在通过照射粉末所产生的熔体中出现凝固或晶体生长速度与温度梯度的组合，该组合适合于在工件中获得期望的微观结构，例如单晶微观结构。因此，为了在工件中产生期望的微观结构而必须调节的实际的照射参数、材料沉积参数(例如，原料粉末层的厚度)和/或原料粉末层的可能的预热可根据原料粉末类型而显著变化。
例如，可容易想到，为了在由铝合金制成的工件中产生大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构而必须通过控制单元来设置的装置、粉末施加装置和加热装置的照射参数、预热参数或材料沉积参数与为了在由钢或Ni基、Co基或Fe基合金制成的工件中产生大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构而必须被设置的参数显著不同。然而，如本领域技术人员通常执行的那样，可以基于本申请的教导通过实验工作获得合适的值范围。
根据本发明，可以控制照射，使得沿构建轴线的重熔速率Rz满足以下条件：Rz>0.3，其中，Rz＝((D-Iz)/D)，Iz为当前照射的原料粉末层的层厚度，并且D为由于照射而产生的熔池深度。如前所述，重熔速率可以与至少部分地熔化已生产的工件层(和/或优选单晶基底)有关，在该已生产的工件层的上面已沉积了最近沉积的原料粉末层并因此是最上面的原料粉末层。在整个全部的生产或修补过程中，所沉积的原料粉末层的层厚度Iz可以是均匀的。熔池深度D可以与沿构建轴线测量的深度有关和/或与通过照射原料粉末形成的熔融材料的深度有关。
此外或可替代地，可以控制照射，使得在当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率Rx满足以下条件：Rx>0.3，其中，Rx＝((W-dy)/W)，W为熔池宽度，dy为原料粉末层的相邻照射位置之间的距离。熔池宽度W可以在当前照射的原料粉末层的平面内来测量，并且例如基本上垂直于熔池深度D而延伸。距离dy可以与各照射位置排列所沿的相邻矢量有关或由各照射位置排列所沿的相邻矢量限定。如上所述，所述矢量形成扫描线矢量或影线矢量。因此，已通过沿第一矢量移动而熔化并凝固的材料可以通过沿优选直接相邻的第二矢量移动而至少部分地重熔化。
发明人已经发现，如果满足以上关于重熔速率的条件中的任何一个，则可以更可靠地实现所产生的工件的单晶微观结构。
根据另一实施例，基板满足以下条件中的至少一个：
基板覆盖可用于生产或修补工件的构建区域的至少约0.1％、至少约10％、至少约25％、至少约50％、至少约75％或约100％；
基板被构造为大致平面的构件，例如限定大致矩形的平面；
基板沿构建轴线的厚度不超过约1000mm、不超过约200mm、不超过约100mm、不超过约50mm或不超过约10mm，
基板为例如需要修补的单晶工件。
如果将基板作为平面构件而提供，则由该基板限定的平面可以布置成基本上平行于载架和/或上述构建区域而延伸。这同样可适用于沉积在所述基板上的原料粉末层。
相反，如果将基板作为待修补的工件而提供，则该基板可呈现更复杂的三维形式并且包括工件层需要被至少部分地修复的一些区域。待修补的工件可以通过例如选择性激光熔化使原料粉末层凝固来形成。
该方法还可以包括将所生产的工件与基板分离，并且可选地将基板重新用于生产其他工件的步骤。与基板的分离是必要的，以克服冶金结合。该分离可以包括切割穿过工件和基板之间的边界或熔化区域的步骤。此外或可替代地，可以施加机械力例如用于拉开基板和工件。由于只有薄的基板层才可以熔化到工件上以产生冶金结合，所以基板可以重新用于生产其他工件。所述其他工件可以与上述方法步骤类似地生产。
该方法还可以包括在照射沉积的原料粉末层以生产工件层之前，预热沉积的原料粉末层的步骤。这可以涉及第一原料粉末层或沉积的和照射的可能的一系列的其他原料粉末层的任何一个。该预热可以通过独立的预热装置来实现或通过用于实际照射(和熔化)原料粉末以生产工件层的同一照射装置发射的辐射束来实现。可以根据原料粉末的结晶行为来选择原料粉末的预热温度，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。
根据另一方面，使用单向照射模式。这可以涉及由相应的单向照射模式照射的第一原料粉末层或可能的随后的原料粉末层中的任何一个。众所周知，这种辐射模式包括照射位置在照射区域上仅沿一个共同方向(例如，沿共同取向的扫描线矢量或影线矢量)移动。具体地，可以保持该方向以照射所沉积的工件层中的每一个。发明人已经发现，这产生将热量引入材料的统一方向，这对于生产单晶工件是有利的。然而，此外或可替代地，还可以想到，对于至少一些原料粉末层使用多向照射模式，所述模式例如包括相反取向的扫描线矢量或影线矢量。
此外，提出了(优选单晶)基板用作在其上沉积原料粉末的基板的用途，所述原料粉末层被照射以根据加层工艺，例如选择性激光熔化来生产或修补三维工件。当然，该加层工艺可包括如上所述的沉积和照射单个原料粉末层。该用途还可以包括以上用于提供相关效果或操作状态中的任何一个的特征、步骤或方面中的任何一个。例如，该用途还可以包括使用优选的单晶基板用于加层工艺，例如选择性激光熔化，其中(优选单晶)基板的晶体取向与待生产或待修补的工件的构建轴线基本上对应。
更进一步地，提出了一种用于生产或修补三维工件的设备，该设备包括：
至少一个基板；
粉末施加装置，该粉末施加装置适于将第一原料粉末层沉积到基板上；和
照射装置，该照射装置适于根据与待生产的三维工件的层的几何形状对应的照射模式以位置选择性方式用电磁或粒子辐射束照射所沉积的原料粉末层的选定区域，和
控制单元，该控制单元适于控制照射装置，以在基板和沉积在该基板上的原料粉末层之间产生冶金结合。
该设备可包括先前或随后论述的特征、装置、单元或其他方面中的任何一个。这尤其涉及实现任何先前或随后论述的效果或操作状态或执行任何相关方法步骤所必需的任何特征、装置或单元。具体地，该基板可以为单晶基板。
例如，该设备可包括分离装置，该分离装置用于在完成生产或修补工件之后分离基板和工件层。
附图说明
在下文中，参考所附示意图更详细地解释本发明的优选实施方式，在附图中：
图1示出了用于生产三维工件的设备，
图2以示意图的形式示出了v-G图，其中，金属熔体中的凝固或晶体生长速度v相对于熔体中的温度梯度G绘图。
具体实施方式
图1示出了用于通过选择性激光熔化生产三维工件的设备10。设备10包括处理室12，该处理室12可以相对于环境大气密封，使得可以在处理室12内建立惰性气体气氛，例如氩气气氛。粉末施加装置14用于通过在载架16上方释放原料粉末来施加该原料粉末。载架16被设计成可以沿垂直方向移动，使得随着工件构造高度的增加，载架16可以沿垂直方向(沿负Z方向)向下移动，其中，工件构造高度的增加是因为该工件是由载架16上的原料粉末以多层的方式建造的。
在载架的顶部上，布置有可以随载架16一起移动的单晶基板15。粉末施加装置14将第一原料粉末层直接沉积到所述基板15上。然后，可以根据已知的加层制造工艺，并特别是根据已知的SLM工艺将其他原料粉末层随后沉积到所述第一原料粉末层的顶部上。因此，可沿图1的垂直Z轴在正方向上建造待生产的工件，该垂直Z轴形成构建轴线。
基板15具有与构建轴线对应从而沿Z轴延伸的均匀的晶体取向。除此之外，基板15在图1的X-Y平面内延伸并且完全覆盖可用于产生工件层的构建区域。
设备10还包括照射装置18，该照射装置18用于选择性地将激光辐射照射到沉积的原料粉末上。借助于照射装置18，可以根据待生产的工件的期望几何形状以位置选择性方式来使沉积的原料粉末经受激光照射。照射装置18具有可密封的壳体20。由激光源24提供的激光束22经由开口26被引导到壳体20中，该激光源24可以例如包括发射大约1070nm至1080nm波长的激光的二极管泵浦掺镱光纤激光器。
照射装置18还包括用于引导和处理激光束22的光学单元28，该光学单元28包括光学元件，诸如用于扩展激光束22的光束扩展器30，用于将激光束22聚焦于焦点的聚焦透镜32和扫描器单元34。扫描器单元34和聚焦透镜32通过示例的方式被示出为检流计扫描器和f-θ物镜。借助于扫描器单元34，可以改变激光束22的位置并可以使所述激光束在沉积的原料粉末层上移动。例如，照射装置18可以为如EP 2 335 848 A1中所述的照射装置。
另外，设备10包括加热装置37，该加热装置37用于在将激光束22照射到原料粉末上之前预热该原料粉末。
最后，设备10包括控制单元38，该控制单元38适于根据原料粉末的结晶行为来控制粉末施加装置14的操作和辐照装置18的操作，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。金属熔体的结晶行为可以用v-G图描述，该v-G图以示意性形式在图2中示出。在v-G图中，通常以双对数尺度将凝固或晶体生长速度v相对于温度梯度G绘图。如本领域所熟知的，对于任意期望的材料，可以测量或计算v-G图。在图2的示意性v-G图中，曲线C将图的一面区域与另一面区域分隔开，在该一面区域中，高的凝固或晶体生长速度与低的温度梯度的组合导致多晶鲕状微观结构的发展，在该另一面区域中，低的凝固或晶体生长速度与由高的温度梯度所引起的熔体的(局部)过冷却的组合导致枝晶和单晶的形成。关于本实施方式，这些温度梯度尤其涉及沿图1的负Z方向的温度梯度。
因此，设备10的控制单元38适于以如下的方式控制粉末施加装置14的操作和照射装置18的操作：根据原料粉末类型，获得在通过用激光束22照射粉末所产生的熔体中出现的凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以便以产生期望的微观结构，并且特别是产生包括大致枝晶和/或单晶的定向凝固的微观结构。
具体地，控制单元38适于控制激光源24和光学单元28，以根据原料粉末的结晶行为调节激光源24和光学单元28的不同操作参数，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。可以借助于控制单元38控制的激光源24和光学单元28的操作参数包括照射到施加到载架16上的原料粉末上的激光束22的射束尺寸，特别是射束直径和照射到施加到载架16上的原料粉末上的激光束22的射束轮廓。
例如，可以在控制单元38的控制下增加激光束22的射束尺寸，以便促进在通过照射粉末所产生的熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而在所产生的工件中获得大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。此外或可替代地，可以想到通过改变激光束22的射束轮廓来促进熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。
此外，可以借助于控制单元38控制的激光源24和/或光学单元28的操作参数包括照射位置在沉积的原料粉末上的移动速度(目前对应于扫描速度)和/或激光束22的照射模式或扫描模式。例如，可以在控制单元38的控制下设置该移动速度，以便促进在通过照射粉末所产生的熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而在所产生的工件中获得大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。为此，可以选择50mm/s-500mm/s之间的移动速度。此外或可替代地，可以想到通过设置激光束22在粉末表面上被引导所沿的影线之间的距离来促进熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。所述距离可以被选择为小于激光束22的射束直径，或者作为一般示例，所述距离可以小于1mm。
最后，可以借助于控制单元38以如下的方式来控制激光源24的激光功率：根据原料粉末类型，获得在通过照射粉末所产生的熔体中出现的凝固或晶体生长速度与温度梯度的适当组合，以产生期望的微观结构。具体地，可以在控制单元38的控制下来增加激光源24的激光功率，以便促进在熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构。
控制单元38还适于控制与粉末施加装置14的操作相关联的载架16的操作，以根据原料粉末的结晶行为来调节施加到载架16上的原料粉末层的厚度，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。例如，可以控制载架16的操作，以便沿负Z方向移动预定的量，所述量与借助于粉末施加装置14沉积的原料粉末层的厚度对应。具体地，如果期望促进在熔体中出现低的凝固或晶体生长速度与高的温度梯度的组合，并从而促进在所产生的工件中形成大致单晶或定向/枝状凝固的微观结构，则可以将施加到载架上的原料粉末层的厚度设置为50μm-250μm之间的值。
此外，控制单元适于控制加热装置37，以根据原料粉末的结晶行为调节原料粉末的预热温度，以便定制通过加层构造方法由所述原料粉末制成的工件的微观结构。
最后，控制单元38适于控制上述参数中的任何一个，使得被照射并由此熔化的原料粉末层的晶粒生长方向与基板15的晶体取向对应。在这种情况下，这意味着控制单元38设置上述参数，使得实现沿构建轴线的晶粒生长方向。
总之，单晶基板15因此促进了由沉积在该单晶基板上的原料粉末制成的工件层的单晶微观结构。在用控制单元38适当地设置上述参数来沉积和照射随后的原料粉末层时，保持了这种单晶微观结构和相关的晶粒生长。
为此，在照射首次并直接被沉积到基板15上的原料粉末层时，单晶基板15的非常薄的顶表面层熔化。这样，在单晶基板15的所述表面层和所熔化的第一粉末材料层之间形成冶金结合。由于基板15具有优选的晶体取向，所以熔化的粉末材料的微观结构也将沿该取向外延生长，以生产总体上为单晶的工件。总之，基板15不是必须具有相应的单晶微观结构。然而，这使得能够在所生产的工件层内特别有效地生产单晶微观结构。
实施例1
已使用图1的设备由材料IN738LC生产了主要为单晶的工件，该工件沿构建轴线Z具有约10mm的高度。该材料既用于基板15，也用于在基板15上沉积的原料粉末。
可替代地，基板和粉末材料可以具有彼此不同的化学组成，其中，基板优选是单晶的。
为了基于该粉末材料和该基板生产工件，已经确定了相关工艺参数的合适范围。具体地，激光功率已被设置为500W-1000W，扫描速度已被设置为50mm/s-500mm/s，相邻扫描线矢量之间的影线距离已被设置为100μm-500μm，并且沉积的原料粉末的层厚度已被设置为50μm-250μm。
此外，这些参数已被设置为沿构建轴线Z的重熔速率Rz满足以下条件：Rz>0.3，并且在当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率Rx满足以下条件：Rx>0.3。如上所述确定了所述重熔速率。此外，已经发现，当以这种方式仅设置重熔速率之一时，仍然可以获得良好的结果。
总之，根据该实施例，当使用(优选单晶)基板15时，已经生产出具有改进的质量和更高的可靠性的单晶工件。

Claims (14)

1.一种用于生产或修补具有包括大致枝晶和/或大致单晶的微观结构的三维工件的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个大致单晶的基板(15)；
将第一原料粉末层沉积到所述基板(15)上；以及
根据与待生产的所述三维工件的层中的至少一部分的几何形状对应的照射模式以位置选择性方式用电磁或粒子辐射束(22)来照射沉积的原料粉末层的选定区域，
其中，控制所述照射以在所述基板(15)和沉积在所述基板(15)上的所述原料粉末层之间产生冶金结合，并且控制所述照射以使得以下适用：
在当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率Rx满足以下条件：Rx>0.3，其中，Rx＝((W-dy)/W)，W为熔池宽度，dy为所述原料粉末层的相邻照射位置之间的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在完成所述第一原料粉末层的照射之后，执行多个系列的沉积和照射随后的原料粉末层，以沿构建轴线(Z)连续地构建所述工件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，沿构建轴线(Z)的重熔速率Rz满足以下条件：Rz>0.3，其中，Rz＝((D-Iz)/D)，Iz为所述当前照射的原料粉末层的层厚度，D为由所述照射产生的熔池深度。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
调节所述单晶的基板(15)的晶体取向，以与所述构建轴线(Z)对应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
调节所述单晶的基板(15)的晶体取向和照射所述三维工件的层时在该层中产生的晶粒生长方向，以使彼此对应。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以下参数中的至少一个参数用于控制所述照射：
所述电磁或粒子辐射束(22)的射束尺寸、散焦状态和/或射束轮廓，
沉积的原料粉末的所述选定区域暴露于所述电磁或粒子辐射束(22)之下的暴露时间，
照射模式，
照射位置在沉积的原料粉末层上移动的速度，以及
所述电磁或粒子辐射束(22)进入施加到所述基板(15)上的所述原料粉末层的所述选定区域中的能量输入。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在至少一些随后的原料粉末层之间，所述至少一个参数是恒定的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以产生三维工件的单晶层的方式，根据所述原料粉末的结晶行为来控制所述照射。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板(15)满足以下条件中的至少一个：
所述基板(15)覆盖构建区域的至少0.1％、至少10％、至少25％、至少50％、至少75％或100％，所述构建区域用于在其上沉积原料粉末层以生产所述工件；
所述基板(15)被构造为大致平面的构件，例如限定矩形的平面；
所述基板(15)沿构建轴线(Z)的厚度不超过1000mm、不超过200mm、不超过100mm、不超过50mm或不超过10mm，
所述基板(15)为例如需要修补的单晶工件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括将所生产的工件与所述基板(15)分离，并且可选地将所述基板(15)重新用于生产其他工件的步骤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在照射沉积的原料粉末层以生产工件层之前，预热所述沉积的原料粉末层的步骤。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用单向照射模式或多向照射模式。
13.一种用于生产或修补具有包括大致枝晶和/或大致单晶的微观结构的三维工件的设备(10)，所述设备(10)包括：
至少一个大致单晶的基板(15)；
粉末施加装置(14)，所述粉末施加装置适于将第一原料粉末层沉积到所述基板(15)上；和
照射装置(20)，所述照射装置适于根据与待生产的所述三维工件的层的几何形状对应的照射模式以位置选择性方式用电磁或粒子辐射束(22)照射沉积的所述原料粉末层的选定区域，和
控制单元(38)，所述控制单元(38)适于控制所述照射装置(20)，以在所述基板(15)和沉积在所述基板(15)上的所述原料粉末层之间产生冶金结合，并且
所述控制单元(38)控制所述照射装置(20)，使得以下中的至少一个适用：
在当前照射的原料粉末层的平面内的重熔速率Rx满足以下条件：Rx>0.3，其中，Rx＝((W-dy)/W)，W为熔池宽度，dy为所述原料粉末层的相邻照射位置之间的距离。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，沿构建轴线(Z)的重熔速率Rz满足以下条件：Rz>0.3，其中，Rz＝((D-Iz)/D)，Iz为所述当前照射的原料粉末层的层厚度，并且D为由所述照射产生的熔池深度。
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